JPH11220150A

JPH11220150A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH11220150A
Application number: JP10020530A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Otsuka; 寛之大塚; Yoshiaki Yazawa; 義昭矢澤; Takeshi Kitatani; 健北谷; Mitsunori Ketsusako; 光紀蕨迫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-10
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JP2945647B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多重量子井戸層内におけるキャリヤ再結合を防
止するとともに、多重量子井戸層の直列抵抗の上昇を防
止して、太陽電池の出力特性を向上させる。【解決手段】多重量子井戸層の障壁層と井戸層あるいは
障壁層のみに不純物をドープして、Ｐ型半導体層から多
重井戸層の中心付近に向かって不純物濃度を連続的ある
いは層毎に階段状に低下させ、続いてＮ型半導体層に向
かって不純物濃度を連続的、あるいは層毎に階段状に高
くする。【効果】多重量子井戸層内におけるキャリヤの再結合が
低減し、開放電圧が向上する。また、直列抵抗が軽減し
てフィルファクタが向上し、結果的にエネルギー変換効
率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池に関し、詳
しくは、多重量子井戸層内におけるキャリアの再結合の
低減による開放電圧の向上、および直列抵抗の低減によ
るエネルギ変換効率の向上が可能な太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】多重量子井戸層を有する太陽電池は、例
えば１９９０年ジャーナル・オブ・アプライドフィジッ
クス（Journal of Applied Physics)、６７巻、３４９
０ページから３４９３ページに記載されている。この太
陽電池は、図２に示したバンドプロファイルから明らか
なように、Ｐ型半導体層１２とＮ型半導体層１４および
これらのＰ型およびＮ型半導体層１２、１４の間に挟ま
れた真性半導体からなる多重量子井戸層１３から構成さ
れている。この多重量子井戸層１３は、バンドギャップ
エネルギーがＥｇ₁である障壁層と、バンドギャップエ
ネルギーがＥｇ₁より小さなＥｇ₂である井戸層からなっ
ている。

【０００３】この多重量子井戸太陽電池は、基本的には
バンドギャップエネルギーがＥｇ₁である半導体から構
成された太陽電池として動作するが、バンドギャップエ
ネルギーがＥｇ₁より小さなＥｇ₂である井戸層の存在に
よって、吸収できる光の波長域が長波長側に拡大されて
いる点に特徴がある。

【０００４】この太陽電池の井戸層１３は単層であって
もよいが、通常、その厚さが量子準位が発現する２０ｎ
ｍ以下にされているため、長波長光も充分に吸収できる
ように多重の膜が用いられる。このような量子井戸層の
導入によって、長波長光の吸収のみではなく、その励起
子効果による吸収係数の上昇も期待されている。

【０００５】上記太陽電池は、図２（ａ）に示すように
短絡状態では多重量子井戸層１３の全体に電界が加わる
ため、井戸層１３で励起された電子１５と正孔１６を効
果的に分離することが可能であり、その結果、短絡電流
が増加することが分光感度の測定から確認されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記多重量子
井戸太陽電池は、多重量子井戸層１３が真性半導体層か
ら構成されているため、太陽電池内のキャリヤ密度が全
体的に増してきた場合、図２（ｂ）に示すように、多重
量子井戸層１３のうち、バンドプロファイルが傾斜して
いるのは半導体層１２、１４との境界部の近傍のみとな
り、中央部１７においてはバンドプロファイルの傾斜が
なくなってフラットになり、多重量子井戸層１３の大部
分に電界がかからなくなる。

【０００７】この問題は、ＰＮ階段接合に対して空乏領
域を仮定して空乏層幅Ｗを導き出した式である数１から
類推が可能である。ここで、ε_sは半導体の誘電率、ｑ
は素電荷、Ｖ_biはビルトインポテンシャル、Ｖ_Fは順方
向バイアス、Ｎ_Aはアクセプタ濃度、Ｎ_Dはドナー濃度を
示す。

【０００８】

【数１】

【０００９】数１より、Ｖ_Fが大きくなるとＷが小さく
なるのがわかる。従来の多重量子井戸型太陽電池は、基
本的にはＰＩＮ型構造で構成され、ＰＩおよびＩＮの２
段の階段接合を有している。短絡状態では全体のキャリ
ヤ密度も低いため、それぞれの空乏層は延びて一つにつ
なががり、その結果、Ｉ層のポテンシャルは全域にわた
って傾きを持つようになる。しかし、キャリヤ密度が増
すと、それぞれの接合の空乏層幅が減少し、図２（ｂ）
に示すように、Ｉ層である多重井戸層１３のうち、ポテ
ンシャルが傾斜するのはＰ型半導体１２およびＮ型半導
体１４の近傍のみになり、多重井戸層１３の中心領域１
７のポテンシャルはフラットとなる。

【００１０】そのため、最適動作状態（最適な外部抵抗
を付加して最大出力が得られるようにした状態）や開放
状態（外部抵抗を付加しないで回路を開いた状態）で
は、井戸層１３で生成された電子１５と正孔１６を有効
に分離できず、電子１５と正孔１６の再結合が増加す
る。その結果、得られる太陽電池出力特性は、短絡電流
から推定される出力特性より低くなってしまう。

【００１１】また、多重量子井戸層全体に電界がかから
ない場合、真性半導体層であるこの層の直列抵抗は高く
なり、その影響によってフィルファクタが低減し、結果
としてエネルギー変換効率が低下して出力も低くなって
しまう。

【００１２】本発明の目的は、多重量子井戸層を有する
従来の太陽電池の上記問題を解決し、最適動作状態や開
放状態における井戸層内のキャリヤ再結合を抑制して、
直列抵抗を低減し、さらにコンダクタンスを高めてエネ
ルギー変換効率を改善することにより、高い出力特性を
得ることができる太陽電池を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の太陽電池は、半導体基板上に順次積層して形
成された第１導伝型を有する第１の半導体層、多重井戸
層および上記第１導伝型とは逆の第２導伝型を有する第
２の半導体層を有し、上記多重井戸層は、第１のバンド
ギャップを有する半導体からなる障壁層と上記第１のバ
ンド層ギャップより小さい第２のバンドギャップを有す
る半導体からなる井戸層が複数回交互に積層されて形成
され、かつ上記多重井戸層における上記第１導伝型を有
する不純物の濃度は、上記多重井戸層と上記第１の半導
体層が接する部分から上記多重井戸層の厚さ方向の所定
の位置へ向かって順次低くなり、上記第２導伝型を有す
る不純物の濃度は、上記多重井戸層の厚さ方向における
所定の位置から上記第２の半導体層へ向かって順次高く
なることを特徴とする。

【００１４】すなわち、上記従来の太陽電池の多重井戸
層は真性半導体のみからなっていた。そのため、上記の
ような種々な問題が生じたのであるが、本発明において
は、このような真性半導体層のみからなるのではなく、
第１のバンドギャップを有する半導体からなる障壁層と
上記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャ
ップを有する半導体からなる井戸層が、複数回交互に積
層されて多重井戸層が構成されている。しかも、このよ
うな積層膜からなる多重井戸層には、上記第１導伝型
（例えばＰ型）を有する不純物の濃度は、上記多重井戸
層と上記第１の半導体層が接する部分から上記多重井戸
層の厚さ方向における所定の位置（例えば中央部近傍）
へ向かって順次低くなり、上記第２導伝型（例えばＮ
型）を有する不純物の濃度は、上記多重井戸層の厚さ方
向における所定の位置（例えば中央部近傍）から上記第
２の半導体層へ向かって順次高くなっている。

【００１５】したがって、キャリヤ密度が増しても、各
接合の空乏層幅が減少することはなく、多重井戸層にお
けるポテンシャルがフラットとなることはない。そのた
め、最適動作状態や開放状態においても、生成された電
子と正孔は効果的に分離されて、両者の再結合が増加す
ることはなく、その結果、十分高い太陽電池出力特性が
得られる。

【００１６】上記第１および第２の不純物は、上記障壁
層および井戸層の両者に添加してもよく、この場合、上
記多重井戸層における上記第１および第２の不純物濃度
は厚さ方向に連続的に変化させることができる。ただ
し、上記不純物濃度を段階的に変化させるようにするこ
とも可能である。

【００１７】上記第１および第２の不純物を上記井戸層
には添加せずに、上記障壁層のみに添加し、上記井戸層
は真性半導体からなるようにしてもよい。この場合、隣
り合う上記障壁層における上記第１および第２の不純物
濃度が、厚さ方向において段階的に変化するようにして
もよく、また、上記第１および第２の不純物濃度が連続
的に変化するようにしてもよい。

【００１８】上記半導体基板と上記第１の半導体層の間
には、上記第１の半導体層と同じ格子定数を有する半導
体からなるバッファ層が介在させることが好ましい。

【００１９】また、上記第２の半導体層が、上記第１の
半導体層より大きなバンドギャップを有していれば、光
の透過に有利であり、太陽電池として実用上好ましい。

【００２０】さらに、適当な値の外部抵抗を接続して、
最大出力が得られる電圧が太陽電池に印加されるように
した場合（最適動作状態）、多重井戸層の障壁層のみ、
あるいは障壁層と井戸層の両者の不純物添加量を制御し
て、少なくとも一組の隣り合う井戸層内の量子準位を一
致させることができる。このようにすれば、共鳴トンネ
ル準位が形成されて電子と正孔の波動関数が空間的に大
きく分離されて、従来の量子井戸型太陽電池の出力特性
を大きく上まわる特性が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の一つの形態は、Ｎ⁺型Ｇ
ａＡｓからなる基板の上に、ＡｌＧａＡｓからなるバッ
ファ層、Ｎ⁺型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓ層とＧａＡｓ層を複数回交互に積層して形成された
多重量子井戸層、Ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層、Ｐ型Ａｌ
Ａｓ層、Ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる窓層およびＰ
型ＧａＡｓ層、ＡｕＺｎ合金膜からなる表面フィンガー
電極が順次積層して形成され、上記ＧａＡｓからなる基
板の裏側には、例えばＡｕ層からなる裏面電極が形成さ
れる。

【００２２】上記のように、障壁層としては井戸層より
もバンドギャップの大きい材料からなっているが、この
ような障壁層と井戸層の組み合わせとしては、例えばＡ
ｌＧａＡｓとＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓ、Ｉｎ
ＰとＩｎＧａＡｓなどを用いることができる。これらの
化合物半導体の混晶比は、広い範囲で変えることが可能
である。

【００２３】上記各層の成長には、ＭＢＥ法が最も高い
精度も制御が可能であるが、ＬＰＥ法（液相エピタキシ
ャル成長法）やＣＶＤ法（化学気相成長法）などを用い
ることも可能である。

【００２４】多重量子井戸層内における不純物濃度は、
上記のよに厚さ方向に連続的（単調）あるいは段階的に
変化している。このような不純物濃度の変化は、例えば
ＭＢＥ法などを用いて障壁層と井戸層の成長を複数回交
互に繰り返して行う際に、ドーパントの添加量を連続的
または段階的に変えることによって容易に制御すること
ができる。

【００２５】多重量子井戸層に添加されるＰ型不純物と
してはＢｅ、Ｃ、Ｍｇなどを用いることができ、Ｎ型不
純物としてはＳｉ、Ｓｎ、Ｇｅなどを用いることができ
る。

【００２６】

【実施例】〈実施例１〉図１は本発明の第１の実施例を
示す断面図である。本実施例では、基板２としてＳｉド
ープ（ドーズ量１×１０¹⁸ｃｍ^-3）の（００１）Ｎ⁺型
ＧａＡｓウェハを用いた。まず、この基板２を有機系洗
浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチ
ングし、さらに１０分間流水洗浄を行った。

【００２７】次に、周知のＭＢＥ装置に搬入し、成長温
度５８０度、成長速度１．０μｍ／時間、Ａｓ₄圧１．
３〜１．８×１０^-5Ｔｏｒｒという条件で、バッファ層
３、Ｎ⁺型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層５、Ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓ層６、Ｐ型ＡｌＡｓ層７、Ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層
８およびＰ型ＧａＡｓ層９を順次成長させた。基板２お
よび上記ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ混晶比を０．２とし、ま
た、Ｎ型ドーパントとしてＳｉを、Ｐ型ドーパントとし
てＢｅをそれぞれ用いた。

【００２８】従来のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井
戸層は、ノンドープ層から形成されていたが、本実施例
では障壁層および井戸層は、いずれもグレーディドに不
純物濃度を変化させて、３０周期の多重量子井戸層５を
成長させた。多重量子井戸層５の厚さは４８０ｎｍ、各
障壁層の厚さはそれぞれ６ｎｍ、各井戸層の厚さはそれ
ぞれ９ｎｍとした。多重量子井戸層５のうち、はじめの
１５周期はドーパントであるＳｉのみを添加してその添
加量を順次減少させ、次の１５周期はＢｅのみを添加し
てその添加量を順次増加させた。

【００２９】このようにして得られた多重量子井戸層５
の不純物プロファイルを図３に示す。図３から明らかな
ように、Ｎ型ドーパントであるＳｉの濃度はＮ⁺型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４から離れるにともなって次第に低下
し、Ｎ⁺型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４と多重量子井戸層５
の界面においては、Ｓｉの濃度１８はほぼ２．０×１０
¹⁸ｃｍ^-3であるが、上記界面からの距離がほぼ０．２μ
ｍである位置では、ほぼ１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3に低下し
た。

【００３０】一方、上記界面からの距離がほぼ０．２μ
ｍの位置では、Ｐ型ドーパントであるＢｅの濃度１９は
ほぼ１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3であるが、Ｎ⁺型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ層４からの距離が大きくなりＰ型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ層６に接近するにともなってＢｅの濃度１９は
次第に大きくなり、Ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層６との界
面においては、ほぼ３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3に達した。

【００３１】上記成長の後、基板２の裏面上にＡｕ電極
１を形成し、表面上にはＣＶＤ法によって堆積したＳｉ
Ｏ₂膜を用いたリフトオフ法によってＡｕＺｎ合金膜か
らなる表面フィンガー電極１１を形成した。

【００３２】次に、過酸化水素水とアンモニア水の混合
液を用いてＰ型ＧａＡｓ層９の所定部分を選択エッチン
グして、窓層であるＰ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層８の表面
を露出させ、その上部に電子ビーム蒸着法によってＭｇ
Ｆ₂／ＺｎＳからなる二層反射防止膜１０を形成して、
図１に示す構造を形成した。

【００３３】一方、比較のため量子井戸層全層が真性半
導体である以外は、本実施例の太陽電池と同じ構造のリ
ファレンス用太陽電池を形成した。

【００３４】本実施例の太陽電池の電流電圧特性を、Ａ
Ｍ１．５Ｇｌｏｂａｌ、１００ｍＷ／ｃｍ²の条件で測
定し、太陽電池特性を調べたところ、開放電圧１．１５
Ｖ、短絡電流密度１２．８ｍＡ／ｃｍ²、フィルファク
タ０．８２５、変換効率１２．１％であった。しかし、
上記リファレンス用太陽電池の特性は、開放電圧１．１
０Ｖ、短絡電流密度１３．２ｍＡ／ｃｍ²、フィルファ
クタ０．８１５、変換効率１１．８％であり、短絡電流
以外は本実施例の特性の方がリファレンス用太陽電池の
特性よりすぐれていた。

【００３５】本実施例の短絡電流がリファレンス太陽電
池に比べて劣ったのは、本実施例では多重量子井戸層に
不純物をドーピングした結果、これらの層のライフタイ
ムがリファレンス太陽電池のものより短くなったためで
ある。短絡状態では両太陽電池のバンドプロファイルに
大きな差はないため、多重量子井戸層のライフタイムが
最も特性に影響をおよぼしている。しかし、キャリヤ密
度が高くなると、本実施例では、図２（ｃ）に示すよう
に多重量子井戸層のバンドプロファイルが傾斜を持つた
めキャリヤを有効に分離することが可能であり、結果的
に再結合割合も低くなる。井戸層に電界がかかると、量
子閉じこめシュタルク効果によって吸収係数の波長依存
性はブロードになり、吸収ピークは低くなるが、吸収係
数の波長域が長波長側に伸びるため全体としての光の吸
収は減少しない。

【００３６】以上の結果、本実施例は、リファレンス太
陽電池に比べてエネルギー変換効率および開放電圧より
すぐれていることが確認された。

【００３７】なお、本実施例ではＡｌＧａＡｓ層のＡｌ
混晶比を０．２としたが、０．２以外の値であっても、
本実施例と同様な電気特性が得られた。また、太陽電池
の材料としては、バルクおよび障壁層はＡｌＧａＡｓ
層、井戸層はＧａＡｓ層をそれぞれ用いたバンドギャッ
プの異なる半導体材料の組み合わであれば、例えばＡｌ
ＧａＡｓとＧａＡｓのように格子定数の差が小さい整合
系、および例えばＩｎＧａＡｓとＧａＡｓのように格子
定数の差が大きいひずみ系材料であっても同様の効果が
得られた。また、各膜の作製には本実施例ではＭＢＥ法
を用いたが、ＬＰＥ法やＣＶＤ法など本実施例の構造を
形成できる方法であれば、いずれを用いてもよいことは
いうまでもない。

【００３８】〈実施例２〉図４は本発明の第２の実施例
を示す断面図である。本実施例はガスソースＭＢＥ法を
用いて太陽電池を作製した例であり、III族原料にはＧ
ａおよびＩｎ金属を、Ｖ族原料には気体であるアルシン
を用いたことが特徴である。これにより急峻なヘテロ界
面を容易に作製することができた。

【００３９】基板２としては上記実施例１と同様に、Ｓ
ｉドープ（ドーズ量１×１０¹⁸ｃｍ^-3）の（００１）Ｎ
型ＧａＡｓウェハを用いた。この基板２に実施例１と同
じ前処理を施した後、ガスソースＭＢＥ装置に基板２を
導入し、ＧａＡｓ成長温度６００℃、ＩｎＧａＡｓ成長
温度を４５０℃、成長速度を１．０μｍ／時間という条
件で、ＡｌＧａＡｓからなるバッファ層３、Ｎ⁺型Ａｌ
_0.36Ｇａ_0.64Ａｓ／ＧａＡｓ超格子２０、Ｎ型ＧａＡｓ
層２１、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸
層２２およびＰ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層２３を順次成長
させた。基板２および上記ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ混晶比
を０．２とし、また、Ｎ型ドーパントとしてＳｉを、Ｐ
型ドーパントとしてＢｅをそれぞれ用いた。

【００４０】本実施例では上記実施例１と異なり、井戸
層にはドーピングを行わず、障壁層のみに層毎に階段状
に不純物濃度を変化させた。井戸層の層数は１０、多重
井戸層の厚さは６５０ｎｍ、各井戸層の厚さは１０ｎ
ｍ、各障壁層の厚さは５０ｎｍ、井戸層のインジウム混
晶比は０．１５とした。前半の障壁層形成時のみに量を
順次減少させながらＳｉを添加し、後半の障壁層形成時
にはＳｉをＢｅに切り替え、Ｂｅの添加量を順次増加さ
せた。このようにして得られた多重量子井戸層２２の不
純物プロファイルを図５に示す。

【００４１】図５に示したように、本実施例では井戸層
としてノンドープのＧａＡｓ層を用いたため、その不純
物濃度は１．０×１０¹⁴ｃｍ^-3程度の低い値に保たれ、
障壁層の不純物濃度のみが段階的に変化した。すなわ
ち、Ｎ型ＧａＡｓ層２１に接する部分におけるＳｉの濃
度１９はほぼ５．０×１０¹⁶ｃｍ^-3であるが、Ｎ型Ｇａ
Ａｓ層２１から離れるにともなって次第に低下し、ほぼ
２．０×１０¹⁵ｃｍ^-3になった。

【００４２】一方、Ｂｅの濃度１８は、Ｂｅ添加の当初
ではほぼ１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3であったが、Ｐ型ＧａＡ
ｓ層９に近づくにともなって次第に大きくなり、Ｐ型Ｇ
ａＡｓ層９に接する部分ではほぼ５．０×１０¹⁶ｃｍ^-3
に達した。

【００４３】各層を成長した後、実施例１と同様に電極
１、１１や反射防止膜１０などを形成して図４に示す構
造を形成した。

【００４４】実施例１と同様に、多重量子井戸層がノン
ドープ層である以外は本実施例と同じ構造のリファレン
ス用太陽電池を形成し、本実施例の太陽電池と比較し
た。

【００４５】本実施例では、井戸層にはドーピングを行
わず、障壁層のみにドーピングする変調ドーピングを行
ったため、実施例１と比較して井戸層内のキャリヤライ
フタイムが長くなり、井戸層内のキャリヤの再結合が減
少した。本実施例の電流電圧特性をＡＭ１．５Ｇｌｏｂ
ａｌ、１００ｍＷ／ｃｍ²の条件の下、測定したとこ
ろ、リファレンス太陽電池の特性が開放電圧０．７８３
Ｖ、短絡電流密度３３．１ｍＡ／ｃｍ²、フィルファク
タ０．７８３、変換効率２０．５％であったのに対し
て、本実施例の特性は開放電圧０．８０８Ｖ、短絡電流
密度３２．７ｍＡ／ｃｍ²、フィルファクタ０．７９
４、変換効率２１．０％を示し、改善が認められた。

【００４６】開放電圧の改善は図６に示したように、従
来型太陽電池による暗電流特性２４にくらべて本実施例
による特性２５は低く、本実施例の方がリファレンス太
陽電池に比べて高注入領域で再結合が少いことが確認さ
れた。

【００４７】なお、本実施例では多重量子井戸層２２と
してＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ／ＧａＡｓ歪み超格子を用い
たが、インジウムの混晶比を変えることができるばかり
でなく、バンドギャップの異なる半導体材料の組み合わ
せならば、例えばＡｌＧａＡｓとＧａＡｓのような格子
定数の差が小さい整合系、あるいは例えばＩｎＧａＡｓ
とＧａＡｓのように、格子定数の差が比較的大きなひず
み系材料でも同様の効果が得られた。また、作製プロセ
スにおいても本実施例ではガスソースＭＢＥ法を用いた
が、ＬＰＥ法、ＣＶＤ法など本発明の構造を形成できる
技術ならば、他の方法を用いてもよい。

【００４８】〈実施例３〉図７は本発明の第３の実施例
を示す断面図である。本実施例ではＭＯＣＶＤ法によっ
て太陽電池を作製した。基板（図示せず）としてはは実
施例１と同様に、Ｓｉドープ（ドーズ量１×１０¹⁸ｃｍ
^-3）の（００１）Ｎ型ＧａＡｓウェハを用いた。実施例
１と同様の前処理を施した後、ＭＯＣＶＤ装置に搬入
し、成長温度９００度で図１に示す構造と同様の太陽電
池を成長させた。ただし、バルクおよび障壁層のアルミ
ニウムの混晶比を０．３とし、多重井戸層５は図７に示
す構造とした。

【００４９】井戸層２６としては厚さ１０ｎｍの真性の
ＧａＡｓ層を用いた。障壁層２７はＰ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓ層、障壁層２８は真性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層、障壁
層２９はＮ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層であり、厚さはいず
れも８ｎｍ、アクセプタおよびドナー濃度は両者とも
１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3に設定した。

【００５０】この多重量子井戸層の設計は、後で説明す
るデバイスシミュレータの計算結果に基づいて行った。
成長後の電極および反射防止膜は実施例１と同様にして
形成した。

【００５１】デバイスシミュレータによって計算したバ
ンドプロファイルを図８に示す。本デバイスシミュレー
タはヘテロ構造半導体用２次元デバイスシミュレータを
太陽電池解析用に改良したものである。基本的にはドリ
フト拡散モデルを用いてポテンシャルおよび電子正孔密
度を計算するが、トンネル電流も別途モデル式を用いて
計算し、境界条件を電流で与えることにより擬似的に取
り扱えるようになっている。図８（ｂ）より最適動作電
圧でそれぞれ隣り合った量子井戸層の量子準位が一致
し、共鳴トンネル準位を形成していることがわかる。

【００５２】本実施例の電流電圧特性をＡＭ１．５Ｇｌ
ｏｂａｌ、１００ｍＷ／ｃｍ²の条件の下、測定したと
ころ図９に示すような電流−電圧特性が得られた。最適
動作電圧付近で負性抵抗が観察されるが、これは共鳴ト
ンネル効果によって電子と正孔の波動関数が空間的に大
きく分離し、バンド間の再結合が低減したためである。
図９において、点線は井戸層間にトンネル電流が流れな
かった場合に予想される電流電圧特性を示しており、本
実施例によって従来技術の量子井戸型太陽電池の出力特
性を改善できたことを示している。

【００５３】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、開放電圧条件下でも多重量子井戸層にビルトイ
ンポテンシャルがかかるため、多重量子井戸層内のキャ
リヤ再結合が低減し、開放電圧が向上する。また、直列
抵抗が軽減することによってフィルファクタが向上し、
結果的に変換効率が向上する。

【００５４】また、最適動作電圧下で隣り合う井戸層内
に生じる量子準位を一致するように多重量子井戸層に不
純物をドープすることにより、共鳴トンネル効果によっ
て電子の波動関数と正孔の波動関数の空間的な分離が大
きくなり、井戸層内の再結合電流が減少して特性が改善
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図２】従来技術および本発明の第１の実施例における
バンドプロファイルを示す図。

【図３】本発明の第１の実施例における不純物分布を示
す図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図５】本発明の第２の実施例における不純物分布を示
す図。

【図６】本発明の第２の実施例の効果を示す図。

【図７】本発明の第３の実施例を示す断面図。

【図８】本発明の第３の実施例におけるバンドプロファ
イルを示す図。

【図９】本発明の第３の実施例における電流−電圧特性
を示す図。

【符号の説明】

１：裏面Ａｕ電極、２：Ｎ⁺ＧａＡｓ基板、３：バッフ
ァ層、４：Ｎ⁺型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ、５：Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層、６：Ｐ型Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ａｓ、７：Ｐ型ＡｌＡｓ、８：Ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ
_0.4Ａｓ、９：Ｐ型ＧａＡｓ、１０：二層反射防止膜、
１１：表面フィンガー電極、１２：Ｐ型半導体、１３：
多重井戸層、１４：Ｎ型半導体、１５：電子、１６：正
孔、１７：フラットバンド領域、１８：アクセプタ濃
度、１９：ドナー濃度、２０：Ｎ⁺型Ａｌ_0.36Ｇａ_0.64
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子、２１：Ｎ型ＧａＡｓ、２２：Ｉ
ｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層、２３：
Ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ、２６：真性ＧａＡｓ井戸層、
２７：Ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層、２８：真性Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層障壁層、２９：Ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ａｓ障壁層障壁層、３０：伝導帯、３１：価電子
帯、３２：電子の擬フェルミレベル３３：正孔の擬フェ
ルミレベル、３４：ｎ＝１量子準位、３５：ｎ＝２量子
準位、３６：形成された共鳴量子準位。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蕨迫光紀東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に順次積層して形成された第
１導伝型を有する第１の半導体層、多重井戸層および上
記第１導伝型とは逆の第２導伝型を有する第２の半導体
層を有し、上記多重井戸層は、第１のバンドギャップを
有する半導体からなる障壁層と上記第１のバンド層ギャ
ップより小さい第２のバンドギャップを有する半導体か
らなる井戸層が複数回交互に積層されて形成され、かつ
上記多重井戸層における上記第１導伝型を有する不純物
の濃度は、上記多重井戸層と上記第１の半導体層が接す
る部分から上記多重井戸層の厚さ方向の所定の位置へ向
かって順次低くなり、上記第２導伝型を有する不純物の
濃度は、上記多重井戸層の厚さ方向における所定の位置
から上記第２の半導体層へ向かって順次高くなることを
特徴とする太陽電池。
【請求項２】上記第１および第２の不純物は、上記障壁
層および井戸層に添加されていることを特徴とする請求
項１記載の太陽電池。
【請求項３】上記多重井戸層における上記第１および第
２の不純物濃度は連続的に変化していることを特徴とす
る請求項２記載の太陽電池。
【請求項４】上記第１および第２の不純物は上記障壁層
のみに添加され、上記井戸層は真性半導体からなること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項５】隣り合う上記障壁層における上記第１およ
び第２の不純物濃度は段階的に変化していることを特徴
とする請求項４記載の太陽電池。
【請求項６】隣り合う上記障壁層における上記第１およ
び第２の不純物濃度は連続的に変化していることを特徴
とする請求項４記載の太陽電池。
【請求項７】上記半導体基板と上記第１の半導体層の間
には、上記第１の半導体層と同じ格子定数を有する半導
体からなるバッファ層が介在していることを特徴とする
請求項１から６のいずれか一に記載の太陽電池。
【請求項８】上記第２の半導体層は、上記第１の半導体
層より大きなバンドギャップを有していることを特徴と
する請求項１から７のいずれか一に記載の太陽電池。
【請求項９】最大出力が得られる電圧が印加された場
合、少なくとも一組の隣り合う井戸層内の量子準位が一
致することを特徴とする太陽電池。